基于單片機(jī)的汽車巡航控制系統(tǒng)的建模與仿真

秦世林 黃宇飛 劉江東 張見廣

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);定速巡航;PID控制;燃油經(jīng)濟(jì)性

【中圖分類號】U463.6 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）09-0037-05

0 前言

汽車巡航控制系統(tǒng)是控制速度穩(wěn)定的一種輔助駕駛員駕駛車輛的系統(tǒng)。當(dāng)駕駛員駕駛車輛時，車速一旦到達(dá)設(shè)定的巡航系統(tǒng)開啟的最低速度后，只需打開巡航開關(guān)，再按下巡航速度設(shè)定鍵，汽車將按設(shè)定的行駛速度穩(wěn)定行駛。若要更改巡航速度，只需按下巡航控制系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)按鈕即可。此時，駕駛員不需要操控油門踏板，僅通過汽車電子控制單元ECU調(diào)控汽車行駛速度，從而減輕駕駛員的精神負(fù)擔(dān)。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國進(jìn)入了小康社會，汽車隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展逐漸走進(jìn)人們的生活，或為人們的日常代步工具。伴隨智能交通系統(tǒng)的不斷推廣，這種能有效減輕駕駛員駕駛汽車的疲勞程度，從而減少因駕駛員失誤操作而造成的交通事故的產(chǎn)品在普通家庭轎車上的應(yīng)用將急劇增長。對駕駛員來說，該產(chǎn)品提高了汽車的駕駛安全性和燃油經(jīng)濟(jì)性;對社會來說，該產(chǎn)品改善了交通狀況。近年來，汽車巡航控制系統(tǒng)得到政府、企業(yè)及高級研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。此外，隨著我國對于基礎(chǔ)建設(shè)的重視，以道路交通發(fā)展促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國高速公路四通八達(dá)，汽車巡航控制系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。

1 汽車巡航控制系統(tǒng)原理及功能

1.1 汽車巡航控制系統(tǒng)原理

在實體的汽車巡航控制系統(tǒng)中，汽車電子控制單元ECU根據(jù)各傳感器傳來的信號，經(jīng)過處理后判斷路況條件的變化，然后經(jīng)過計算得到節(jié)氣門開度的變化量，汽車電子控制單元ECU再控制節(jié)氣門執(zhí)行器調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度，使車輛以恒定速度穩(wěn)定行駛，汽車巡航控制系統(tǒng)的基本控制原理如圖1所示。

1.2 汽車巡航控制系統(tǒng)功能

目前，市面上絕大部分的汽車巡航控制系統(tǒng)，主要由電子控制單元ECU、巡航控制開關(guān)、車速傳感器、節(jié)氣門執(zhí)行器等組成[1]。當(dāng)打開汽車巡航控制系統(tǒng)開關(guān)以后，若按下設(shè)定鍵時的當(dāng)前車速為大于40 km/h、小于180 km/h時，車速傳感器就會將當(dāng)前車速顯示在顯示屏上，還有設(shè)定的巡航車速。在打開汽車巡航控制系后，控制器中就會輸入兩個信號，一個是駕駛員駕駛車輛由車速傳感器送來的實際車速，另一個是駕駛員設(shè)置的巡航速度，控制器核對兩個信號的偏差之后，再根據(jù)儲存在儲存單元里的算法經(jīng)過一定的計算，得出一個使實際行駛速度與巡航車速相等的控制角度。汽車電子控制單元ECU再把這個角度傳遞給節(jié)氣門執(zhí)行器，控制節(jié)氣門角度變化。此時，若按下巡航加速（或減速）鍵，巡航車速每次將增加（或降低）5 km/h，使汽車定速巡航;若按下取消鍵、開關(guān)鍵中的任何一個，汽車巡航控制系統(tǒng)就會關(guān)閉，汽車駕駛就由駕駛員控制。

2 PID控制器算法

2.1 PID控制的基本算法

工程生產(chǎn)中，應(yīng)用最廣泛的控制方式為PID控制方式，其主要分為以下幾種方式：比例控制方式、積分控制方式、微分控制方式。結(jié)構(gòu)簡單且穩(wěn)定性好的PID控制器工作可靠，調(diào)整也方便，并且在巡航系統(tǒng)工作過程中不需要精確的系統(tǒng)模型，所以成為應(yīng)用最常用的控制器[2]。在模擬控制系統(tǒng)中，控制原理如圖2所示。在PID控制策略當(dāng)中，其輸入與輸出關(guān)系式可表示如下：

寫成傳遞函數(shù)：

公式（2）中，Kp為比例系數(shù);Ki為積分時間常數(shù);Kd為微分時間常數(shù)。經(jīng)過離散化處理后得到如下公式：

將公式（3）帶入公式（1）中得到：

提供增量的PID控制算式如下：

則推出增量：

一旦確定比例系數(shù)Kp、積分時間常數(shù)Ki、積分時間常數(shù)Kd這3個系數(shù)，只需要反復(fù)測量其偏差，就可以求出控制增量。

2.2 PID各模塊作用

（1）比例模塊。根據(jù)控制系統(tǒng)的偏差信號e（t），并按一定的比例產(chǎn)生控制作用，使實際數(shù)據(jù)盡可能地接近輸入數(shù)據(jù)，減少誤差。系統(tǒng)的超調(diào)量會隨著Kp的增大而增大，Kp偏大時，系統(tǒng)震蕩次數(shù)增多，幅度增大且調(diào)節(jié)時間加長[3]。

（2）積分模塊主要用于消除凈差，以提高系統(tǒng)的無差度。隨著Ti的增大，系統(tǒng)的超調(diào)量會減小，響應(yīng)速度略微變慢[3]。

（3）微分模塊主要用于反映偏差信號的變化趨勢或變化速率的大小，能使系統(tǒng)在偏差信號值變得太大之前，在巡航系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，這樣就能提高系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)所需的時間。增大微分時間Td可以使系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，使系統(tǒng)超調(diào)量變小，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但這會使系統(tǒng)抗干擾的能力變?nèi)鮗3]。

2.3 PID控制原理

PID在工程應(yīng)用中十分廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、工作可靠等優(yōu)勢。在PID控制中，將駕駛員設(shè)定的速度與車輛的實際速度相比較得到一個差值，控制器根據(jù)得到的差值輸出對發(fā)動機(jī)節(jié)氣門的控制量，減少偏差，從而使車輛的行駛速度趨于駕駛員設(shè)定的車速[4]。

3 硬件設(shè)計

3.1 AT89C52單片機(jī)

本次建模選擇AT89C52單片機(jī)作為MCU模擬。作為本次建模的核心部件，其特點是低電壓、高性能。單片機(jī)內(nèi)不僅有通用的8位中央處理器，而且有8 KB的程序存儲器（8 KB Flash ROM）和256 B的數(shù)據(jù)存儲器（256 B RAM），兼容AT89C51的指令，功能強(qiáng)大、實用[5]。

3.2 舵機(jī)

在本系統(tǒng)中，采用“輝盛”mg995舵機(jī)控制車速，在Proteus仿真中，通過AT89C52單片機(jī)控制舵機(jī)，用舵機(jī)上的角度代表節(jié)氣門的開度。當(dāng)舵機(jī)角度為正時，表示節(jié)氣門開度增大，駕駛員加油門，速度增加;當(dāng)舵機(jī)角度為負(fù)時，表示節(jié)氣門開度減少，駕駛員開始減速，車速下降。舵機(jī)在Proteus仿真如圖3所示。舵機(jī)控制的是節(jié)氣門開度，而節(jié)氣門是步進(jìn)電機(jī)式節(jié)氣門。

3.3 LCD1602液晶顯示器

本系統(tǒng)采用性能優(yōu)良、工作可靠的工業(yè)字符型液晶顯示器LCD1602液晶顯示器，利用電壓對液晶的影響，有電即可顯示。單片機(jī)向?qū)?yīng)的模塊寫入不同的命令和數(shù)據(jù)，就可對顯示方式和顯示內(nèi)容做出不同的選擇，它最多能夠同時顯示32個字符。目前，LCD1602液晶顯示器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在眾多領(lǐng)域。LCD1602液晶顯示屏實物圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件原理和流程

4.1 系統(tǒng)軟件原理

本項目建模的汽車巡航控制系統(tǒng)，以AT89C52單片機(jī)作為核心部件，用于數(shù)據(jù)處理、初值設(shè)定;使用AD轉(zhuǎn)換器模擬道路狀況的好壞;在仿真電路中方波信號發(fā)生器發(fā)出一個固定的信號表示車速，這個固定的信號不會因為舵機(jī)的變化而使每次采集的脈沖個數(shù)變化;模擬車速傳感器信號，用舵機(jī)模擬控制節(jié)氣門開度，從而實現(xiàn)對車速的控制。單片機(jī)作為對車速的反饋調(diào)節(jié)模塊，需要把舵機(jī)的角度信號和AD轉(zhuǎn)換器模擬路況的模擬參數(shù)加進(jìn)單片機(jī)進(jìn)行計算，經(jīng)過試驗得出，舵機(jī)系數(shù)是（duoji-500）/800，路況系數(shù)是（adval+400）/700。在巡航系統(tǒng)中，設(shè)置了5個按鍵，用于控制巡航控制系統(tǒng)的開關(guān)，設(shè)定與調(diào)節(jié)巡航速度。此外，為了模擬駕駛員在實際行駛過程中的加油門和減油門，另外設(shè)置了兩個按鍵，并將檢測的當(dāng)前車速和巡航控制中設(shè)定的車速顯示在LCD1602液晶顯示器中。

4.2 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

本系統(tǒng)軟件主要程序流程圖如圖5所示。從圖5可知，汽車巡航控制系統(tǒng)是模塊化分工配合，各模塊既能分開獨立工作，又能相互配合工作。當(dāng)打開巡航控制系統(tǒng)時，系統(tǒng)初始化開始，接著所采集的模擬信號通過AD轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入單片機(jī)，同時單片機(jī)進(jìn)行按鍵掃描，判斷開關(guān)鍵、取消鍵是否打開;若開關(guān)鍵未被按下或取消鍵按下，則單片機(jī)再次進(jìn)行掃描，系統(tǒng)程序再次進(jìn)入初始化;若開關(guān)鍵與取消鍵都滿足設(shè)定要求，則系統(tǒng)進(jìn)入巡航速度設(shè)定模塊，當(dāng)汽車實際車速達(dá)到巡航控制要求范圍大于40 km/h小于180 km/h時，巡航設(shè)定鍵按下，當(dāng)前車速將會被巡航系統(tǒng)所采樣，并把當(dāng)前行駛的車速作為巡航控制的速度。若巡航控制速度過快或者緩慢，此時可以對巡航控制的車速進(jìn)行調(diào)整，儲存在儲存單元中的PID算法將起作用，車速將隨舵機(jī)轉(zhuǎn)角的變化而變化，巡航控制系統(tǒng)的車速采集模塊時刻采集當(dāng)前汽車實際行駛速度，使汽車車速控制在設(shè)定的巡航速度左右。

4.2.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊

由圖6 A /D采樣轉(zhuǎn)換流程圖可知，程序開始時先將AD轉(zhuǎn)換器初始化，在初始化過程中，根據(jù)路面情況，AD轉(zhuǎn)換器會使滑動變阻器產(chǎn)生相應(yīng)的阻值代表路面狀況，表示平路、上坡、下坡的模擬信號，再將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，然后轉(zhuǎn)換器讀取采樣值，并將數(shù)據(jù)信號輸送給單片機(jī)工作。

4.2.2 按鍵掃描模塊

單片機(jī)在工作時，內(nèi)部有時鐘脈沖不停地掃描，掃描各個引腳在任何時候的高低電平狀態(tài)，讀取并傳送給CPU進(jìn)行處理。按鍵掃描子程序就是一段用來掃描之前設(shè)定的幾個特殊的按鍵引腳的狀態(tài)，并進(jìn)行處理的函數(shù)段。按鍵掃描子程序如圖7所示。

按鍵按下后，信號會出現(xiàn)一定頻率的抖動，導(dǎo)致單片機(jī)識別錯誤，只按了一次，識別為按了多次，所以要加入去抖延時環(huán)節(jié)。單片機(jī)周期性地對按鍵位置的引腳進(jìn)行掃描，判斷按鍵引腳是否有電平變化，并通過電平變化的周期判斷是干擾電平還是有按鍵按下，去抖處理后，計數(shù)按鍵值，判定發(fā)送的是哪個按鍵功能請求，然后檢測按鍵是否松開，若松開則進(jìn)行按鍵請求處理;若按鍵沒有松開，則繼續(xù)進(jìn)行檢測。

4.2.3 車速采樣模塊

當(dāng)汽車進(jìn)入巡航控制模式時，汽車在行駛過程中的當(dāng)前實時車速被車速傳感器采集，并將此車速信號送進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行反饋;其原理如圖8所示。

在本汽車巡航控制系統(tǒng)中，在實時車速方面利用信號發(fā)生器模擬車速傳感器信號，而信號發(fā)生器傳給單片機(jī)的脈沖是一定的，所以此時的車速不變化。在本系統(tǒng)中，影響車速的因素還包括舵機(jī)角度及路況，所以在系統(tǒng)計算車速時，要考慮舵機(jī)參數(shù)和路況參數(shù)，從而把車速、路況及步進(jìn)角度三者聯(lián)系起來。單片機(jī)將以秒為單位采集車速，再把采集到的讀數(shù)值送至計數(shù)器，進(jìn)而汽車電子控制單元ECU根據(jù)車速與路況函數(shù)圖處理運算，計算出現(xiàn)在的行駛車速，從而完成車速采樣過程。

5 Proteus仿真模型

經(jīng)過設(shè)計選型，在Proteus中建模，最后得到仿真模型（如圖9所示）。

仿真電路包括以下幾大模塊：單片機(jī)模塊（包含時鐘電路與復(fù)位電路），進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和初值設(shè)定;？譺？訛AD轉(zhuǎn)換模塊，將路面狀況的模擬信號轉(zhuǎn)化為單片機(jī)能夠讀取的數(shù)字信號，可以通過改變滑動變阻器的阻值調(diào)節(jié)路面狀況;顯示器模塊，將實際行駛速度與巡航速度顯示到液晶顯示器中;舵機(jī)模塊，模擬節(jié)氣門位置傳感器，通過控制節(jié)氣門開度，從而控制車速;功能按鍵模塊，控制汽車巡航控制系統(tǒng)的基本功能。

在圖9中，有7個按鍵，從上到下前2個按鍵是為了模擬汽車實際行駛過程中的加速和減速，第一個按鍵是實際行駛減速，第二個按鍵是實際行駛加速。后面的5個按鍵從上到下，key1是巡航開啟按鍵，key2是設(shè)定車速按鍵，key3是巡航設(shè)定加速按鍵，key4是巡航設(shè)定減速按鍵，key5是巡航關(guān)閉按鍵。在仿真中，電路能正常運行，達(dá)到預(yù)期結(jié)果，電路圖無誤。

6 結(jié)語

本文通過使用單片機(jī)作為核心部件設(shè)計出的汽車巡航控制系統(tǒng)，具有系統(tǒng)超調(diào)量小、穩(wěn)定時間快的特點。通過PID控制能有效實現(xiàn)車輛穩(wěn)定行駛和滿足汽車巡航要求，并且減輕駕駛員疲勞程度，降低了因駕駛員疲勞誤操作而造成的交通事故的發(fā)生概率，從而提高汽車駕駛安全性，降低燃料的消耗，對減少環(huán)境污染有不可替代的作用且具有較好的市場應(yīng)用價值。

參 考 文 獻(xiàn)

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